《ucore lab1 exercise6》实验报告

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题目:完善中断初始化和处理

请完成编码工作和回答如下问题:

  1. 中断描述符表(也可简称为保护模式下的中断向量表)中一个表项占多少字节?其中哪几位代表中断处理代码的入口?

  2. 请编程完善kern/trap/trap.c中对中断向量表进行初始化的函数idt_init。在idt_init函数中,依次对所有中断入口进行初始化。使用mmu.h中的SETGATE宏,填充idt数组内容。每个中断的入口由tools/vectors.c生成,使用trap.c中声明的vectors数组即可。

  3. 请编程完善trap.c中的中断处理函数trap,在对时钟中断进行处理的部分填写trap函数中处理时钟中断的部分,使操作系统每遇到100次时钟中断后,调用print_ticks子程序,向屏幕上打印一行文字”100 ticks”。

完成这问题2和3要求的部分代码后,运行整个系统,可以看到大约每1秒会输出一次”100 ticks”,而按下的键也会在屏幕上显示。

【注意】除了系统调用中断(T_SYSCALL)使用陷阱门描述符且权限为用户态权限以外,其它中断均使用特权级(DPL)为0的中断门描述符,权限为内核态权限;而ucore的应用程序处于特权级3,需要采用`int 0x80`指令操作(这种方式称为软中断,软件中断,Trap中断,在lab5会碰到) 来发出系统调用请求,并要能实现从特权级3到特权级0的转换,所以系统调用中断(T_SYSCALL)所对应的中断门描述符中的特权级(DPL)需要设置为3。

解答

问题1的回答

问题1:中断描述符表(也可简称为保护模式下的中断向量表)中一个表项占多少字节?其中哪几位代表中断处理代码的入口?
答:中断描述符表一个表项占8个字节,其结构如下:

  • bit 63..48: offset 31..16
  • bit 47..32: 属性信息,包括DPL、P flag等
  • bit 31..16: Segment selector
  • bit 15..0: offset 15..0

其中第16~32位是段选择子,用于索引全局描述符表GDT来获取中断处理代码对应的段地址,再加上第0~15、48~63位构成的偏移地址,即可得到中断处理代码的入口。

完善idt_init函数

idt_init函数的功能是初始化IDT表。IDT表中每个元素均为门描述符,记录一个中断向量的属性,包括中断向量对应的中断处理函数的段选择子/偏移量、门类型(是中断门还是陷阱门)、DPL等。因此,初始化IDT表实际上是初始化每个中断向量的这些属性。

  1. 题目已经提供中断向量的门类型和DPL的设置方法:除了系统调用的门类型为陷阱门、DPL=3外,其他中断的门类型均为中断门、DPL均为0.

  2. 中断处理函数的段选择子及偏移量的设置要参考kern/trap/vectors.S文件:由该文件可知,所有中断向量的中断处理函数地址均保存在__vectors数组中,该数组中第i个元素对应第i个中断向量的中断处理函数地址。而且由文件开头可知,中断处理函数属于.text的内容。因此,中断处理函数的段选择子即.text的段选择子GD_KTEXT。从kern/mm/pmm.c可知.text的段基址为0,因此中断处理函数地址的偏移量等于其地址本身。

  3. 完成IDT表的初始化后,还要使用lidt命令将IDT表的起始地址加载到IDTR寄存器中。

根据以上分析,及注释中的提示,不难完成编码,如下所示。

extern uintptr_t __vectors[];

/* idt_init - initialize IDT to each of the entry points in kern/trap/vectors.S */
void idt_init(void) {
    uint32_t pos;
    uint32_t sel = GD_KTEXT;

    /* along: how to set istrap and dpl? */
    for (pos = 0; pos < 256; pos++) {
        SETGATE(idt[pos], 0, sel, __vectors[pos], 0);
    }
        
    SETGATE(idt[128], 1, sel, __vectors[128], 3);

    lidt(&idt_pd);
}

lab1_result中的代码如下所示。答案有几处地方比我写得好:

  1. 我定义的sel变量是多余的,浪费内存,直接使用GD_KTEXT即可。
  2. 设置DPL时使用DPL_KERNEL, DPL_USER代替0和3,可读性更好。
  3. 将extern __vectors放在函数内部,使其仅在本函数内可见,结构上更合理。(是吗?)

不过这里有个问题:答案设置系统调用的门描述符时,中断向量为什么是T_SWITCH_TOK(121)而不是T_SYSCALL(128)?

/* idt_init - initialize IDT to each of the entry points in kern/trap/vectors.S */
void idt_init(void) {
    extern uintptr_t __vectors[];
    int i;
    for (i = 0; i < sizeof(idt) / sizeof(struct gatedesc); i ++) {
        SETGATE(idt[i], 0, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_KERNEL);
    }
    // set for switch from user to kernel
    SETGATE(idt[T_SWITCH_TOK], 0, GD_KTEXT, __vectors[T_SWITCH_TOK], DPL_USER);
    // load the IDT
    lidt(&idt_pd);
}

完善trap函数

trap函数只是直接调用了trap_dispatch函数,而trap_dispatch函数实现对各种中断的处理,题目要求我们完成对时钟中断的处理,实现非常简单:定义一个全局变量ticks,每次时钟中断将ticks加1,加到100后打印"100 ticks",然后将ticks清零重新计数。代码实现如下:

    case IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER:
        if (((++ticks) % TICK_NUM) == 0) {
            print_ticks();
            ticks = 0;
        }
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